[發(fā)明專利]一種消除光譜儀鎖相放大電路頻率誤差的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810336419.2
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108775959B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王智宏;王豫喆;孫澎勇;劉杰;喬麗偉
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/18
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 王立文

本發(fā)明涉及一種消除光譜儀鎖相放大電路頻率誤差的方法，是針對光譜儀的機(jī)械調(diào)制信號存在頻率波動，引起鎖相放大電路的參考信號與被測信號不同頻同相，進(jìn)而引起光譜檢測誤差的問題，提出基于信號同源的消除光譜儀鎖相放大電路頻率誤差的方法：包括調(diào)測系統(tǒng)延時(shí)周期數(shù)、調(diào)頻率同步、調(diào)偏心、調(diào)同相。通過調(diào)整參考信號機(jī)械滯后，檢測信號的移相延時(shí)，使參考信號機(jī)械延時(shí)與檢測信號的電路延時(shí)相等，則鎖相放大電路的兩路輸入信號為調(diào)制器同一位置的調(diào)制信號，即同源信號，從而消除調(diào)制頻率波動引起的光譜檢測誤差。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光柵掃描型光譜儀，尤其是采用有頻率波動的機(jī)械調(diào)制及鎖相放大電路進(jìn)行解調(diào)時(shí)，存在信號調(diào)制頻率誤差的光譜儀。

背景技術(shù)

光譜儀器是一種應(yīng)用廣泛的分析儀器，其由光源、調(diào)制器、單色儀、取樣器、探測器及轉(zhuǎn)換電路、檢測和控制系統(tǒng)、電源等幾個(gè)部分組成。采用光柵掃描進(jìn)行分光的光譜儀器，其光源發(fā)出的復(fù)合光，經(jīng)過調(diào)制器機(jī)械調(diào)制為固定頻率的調(diào)幅光信號，該信號經(jīng)單色儀后輸出各個(gè)波長的單色光、通過取樣器與樣品作用后由探測器及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為固定頻率的電信號。檢測系統(tǒng)對此信號進(jìn)行濾波、放大、解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，得到單色光對應(yīng)光強(qiáng)(調(diào)幅光信號的幅值)的數(shù)字量。控制系統(tǒng)控制單色儀掃描從而獲得所需波長范圍的光譜信號。

對于幅度調(diào)制信號的解調(diào)，檢測系統(tǒng)通常采用鎖相放大電路實(shí)現(xiàn)：將檢測信號和參考信號(與被測信號同頻同相的方波信號)進(jìn)行同步積分、相敏檢波、低通濾波、放大后得到同頻分量的幅值信號，從而有效地抑制噪聲和諧波。

在同步積分之前，兩路信號的路徑不同：檢測信號在電路中經(jīng)過帶通濾波、放大和移相，參考信號經(jīng)過整形。其中移相電路的作用是增加檢測信號的延時(shí)，使二者同相。

光譜儀的信號調(diào)制采用機(jī)械調(diào)試，調(diào)制器由直流電機(jī)和與其同軸的調(diào)制盤組成。調(diào)制盤有均布的通光孔，在電機(jī)的帶動下進(jìn)行光的調(diào)制。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)速轉(zhuǎn)動時(shí)，調(diào)制信號的頻率f為一定值。由于調(diào)制器的制造和安裝誤差，調(diào)制信號的頻率存在周期波動性誤差Δf，波動的周期是調(diào)制盤的通光孔個(gè)數(shù)。調(diào)制信號的頻率波動將引起光譜儀鎖相放大的檢測信號和參考信號無法滿足同頻同相的要求，使光譜信號測量產(chǎn)生誤差，此為頻率誤差。

對于調(diào)制信號頻率波動引起的誤差，人們提出采用數(shù)字解調(diào)的方法解決，如：

CN102403969A公開了“一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法”，采用設(shè)置采樣頻率為被測信號頻率4的整周期倍的方法，用加減法運(yùn)算替代了正交解調(diào)中的乘法運(yùn)算。此種方法需要乘方開方運(yùn)算，要求被測信號頻率穩(wěn)定且已知，同時(shí)要求采樣頻率為被測信號頻率的特定倍數(shù)。

CN102916665A公開了一種“雙相數(shù)字式鎖相放大器及其數(shù)字域同步鎖相算法”，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤濾波、同步鎖相功能，可適應(yīng)信號變化的頻率，但要求作為參考信號的相位差為90°的兩路方波信號與檢測信號同頻，而且進(jìn)行三路信號的采集，送入PC機(jī)，在由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)鎖相算法，不能滿足光譜掃描對實(shí)時(shí)采樣的要求。

吉林大學(xué)，劉志偉“便攜式近紅外光譜儀器數(shù)字解調(diào)采集系統(tǒng)研制”的論文中，提出利用CPLD分頻產(chǎn)生4N倍信號頻率的采樣控制信號進(jìn)行采樣，并進(jìn)行正交運(yùn)算實(shí)現(xiàn)雙相數(shù)字鎖相放大。但需要檢測信號頻率已知且穩(wěn)定，并與CPLD分頻產(chǎn)生的控制信號頻率成4N倍的關(guān)系，否則檢測誤差大。

CN103604500公開了“光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)及檢測方法”，檢測系統(tǒng)以DSP微控制器的數(shù)字化積分和平均濾波算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大。它以鎖相環(huán)穩(wěn)速電路保證采樣控制信號與檢測信號的倍頻關(guān)系，實(shí)現(xiàn)同步采樣，但存在穩(wěn)速誤差產(chǎn)生的信號和采樣頻率的波動，進(jìn)而引起檢測信號測量數(shù)字量的噪聲較大。